深圳地鐵2號線一系安全吊改進設計

劉志遠,馬 克,徐成祥,付媛媛,程亞軍（長春軌道客車股份有限公司 技術中心,長春 130062）

深圳地鐵2號線一系安全吊改進設計

劉志遠,馬 克,徐成祥,付媛媛,程亞軍
（長春軌道客車股份有限公司 技術中心,長春 130062）

摘 要：介紹了深圳地鐵2號線一系安全吊發生裂紋的原因分析及設計改進。關鍵詞：一系安全吊；裂紋；原因分析；設計改進

深圳地鐵2號線車輛于2010年先后投入運營，在2013年12月對車輛進行檢修過程中發現部分轉向架一系安全吊存在貫穿性裂紋。長客股份通過對材料的化學成分分析、線路測試、有限元分析等方法確定了裂紋產生的原因，并對一系安全吊進行了結構優化。

1 一系安全吊結構

深圳地鐵2號線一系安全吊由鋼板機加而成，鋼板材質為符合EN10025標準的S355J2C+N，厚度為15mm，該起吊板與軸箱之間采用8.8級M12x90螺栓和8級防松螺母進行連接的，緊固力矩為80Nm。裂紋位置為安全吊的螺栓安裝孔處，見圖1。

2 原因分析

2.1 材質分析

（1）宏觀檢查。安全吊的斷裂位置均發生在安全吊下端部的一個螺栓孔處。經檢查，斷裂安全吊的斷口形貌均呈現雙向彎曲疲勞斷口特征。

（2）化學成分分析。在斷裂起吊板上截取材質分析樣品，起吊板的材質化學成分分析符合EN10025-2-2004標準中355J2 C+N鋼的要求。

（3）金相檢測。金相檢測斷裂起吊板在斷裂位置的截面區既無材料冶金缺陷，也無加工缺陷，斷裂起吊板的基體金相組織為正火組織，略呈帶狀分布。

（4）材質分析結果。起吊板材質符合標準要求，且無材料冶金缺陷和加工缺陷，開裂的斷口表面有疲勞貝殼弧線，說明該件屬于疲勞斷裂。

2.2 線路測試分析

（1）安全吊模態分析。對安全吊進行了有限元模態計算，安全吊一階固有頻率為371Hz，振型為橫向彎曲。線路測試前，對安全吊進行了模態測試，一階固有頻率為346Hz，測試結果與計算結果相似。

（2）振動加速度的數據分析。根據全程線路測試的試驗數據分析，軸箱加速度沒有存在特別大的區間，而安全吊橫向加速度在部分區間如赤灣-蛇口、蛇口-海上世界兩個區間異常，幅值達到-300g—+400g，正常線路為-150g—150g，初步推測該這兩個區段部分線路存在波浪型磨耗，車輛通過時，軸箱加速度頻域與安全吊固有頻率產生共振所致。

根據車輛運行速度可推算線路波浪形磨耗波長為0.0565m左右，與工程實際經驗值相符，因此可認定線路存在波浪形磨耗。

（3）波磨線路的數據分析。截取波磨區段（蛇口-海上世界）的數據進行FFT變換，對數據進行STFT變換，均在300Hz左右頻率，與安全吊發生共振。時域、頻域傳遞關系分析結果顯示，軸箱垂向加速度傳遞至安全吊，無放大現象；軸箱橫向加速度傳遞至安全吊，將其放大數倍；波磨線路上波磨頻率與安全吊一階模態發生共振，導致結構產生疲勞破壞。

（4）安全吊動應力頻率成分分析。安全吊動應力的主要能量集中于一階固有頻率附近。安全吊的絕大部分能量集中于300-350Hz之間，該頻帶不隨運營速度的變化而變化。為分析各個能量所占比重，將動應力320-360Hz帶通濾波。濾波后幅值下降不明顯，說明該頻帶能量較高，是造成安全吊疲勞損傷的主要原因。

（5）安全吊疲勞壽命評估。對深圳地鐵2號線往返測試數據進行安全壽命評估，安全吊使用壽命評估結果顯示，安全吊最低壽命約為40萬公里，最低壽命出現在安全吊的螺栓安裝孔處（即安全吊斷裂位置）。

對于壽命最低的測點，如果去除波磨區段動應力的影響，則其壽命為：1755752199個往返,為無限壽命。

（6）線路測試分析結果。通過對試驗數據的分析，確定全吊斷裂的主要原因是波磨頻率與安全吊一階模態發生共振，振動被放大多倍，導致安全吊應力偏大，發生疲勞斷裂。

3 改進方案

由于一系安全吊的斷裂主因為安全吊一階模態與波磨線路的波磨頻率發生共振，因此需要進行以下兩方面的改進：

（1）對波磨線路進行打磨，消除波磨頻率的影響；

（2）提高安全吊的一階固有頻率，避開線路的波磨頻率。

為了增加安全吊的一階固有頻率，通過對安全吊與軸箱的連接部位（即出現裂紋的部位）進行結構優化，增加連接部位的厚度，從而有效提高安全吊的一階固有頻率。改進后的結構見圖2，其一階固有頻率為485Hz，振型仍為橫向彎曲。

因此，改進后的一系安全吊有效避開了線路的波磨頻率，能夠解決由于共振引起的斷裂問題。

參考文獻：

[1]深圳地鐵蛇口安全吊線試驗測試報告[R].西南交大,2014(06).